CC BY
352УДК 629.7.05
ОБЗОР И СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ НАНОСПУТНИКОВ КЛАССА CUBESAT
С. А. Бабич, А. С. Костюков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: s.t.a.s.1.9.9.4@mail.ru
Рассматриваются различные системы ориентации космических аппаратов CubeSAT, проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков, рассмотрена экономическая сторона вопроса.
Ключевые слова: система ориентации, CubeSAT, магнитная система ориентации, маховики, гравитационная система ориентации.
REVIEW AND COMPARSION OF ALTITUDE CONTROL SYSTEM OF CUBESAT CLASS NANOSATELLITES
S. A. Babich, А. S. Kostjukov
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: s.t.a.s.1.9.9.4@mail.ru
A variety of the spacecraft attitude control systems of the CubeSAT class is presented, a comparative analysis of advantages and disadvantages is performed and the economic side of the issue is assumed.
Keywords: altitude control system, CubeSAT, magnetic altitude control, reaction wheel flywheels, gravity gradient boom.
Система ориентации (СО) является важным исполняющим модулем космического аппарата (КА). В обязанности СО входят: стабилизация КА в пространстве, демпфирование нежелательных колебаний, ориентация аппарата в выбранном направлении [1].
Стандарт космических аппаратов СиЪе8АТ, получивший широкое распространение в последнее десятилетие, определяет размеры основной структурной единицы 1и - 10x10x10 см, а также массовое ограничение в 1,33 кг. Спутник может иметь размеры как 1и, так и большие, кратные размеру структурной единицы, 2И, 3и, бИ, ..., Ш.
По потреблению энергии и рабочего тела СО можно разделить на пассивные, активные и комбинированные. Пассивные СО не расходуют рабочее тело и энергию КА либо расходуют только при развертывании исполнительных органов (ИО). Активные СО потребляют энергию и рабочее тело при работе, в некоторых случаях также в состоянии покоя (маховики). Комбинированные СО являются комбинацией пассивных и активных систем ориентации [1].
Пассивные СО используют взаимодействие с окружающей КА средой и наиболее часто примеяются для успокоения первоначальных колебаний и стабилизации КА в определенном положении. Наиболее подходящими вариантами для СМКА являются: гравитационная штанга, пассивная магнитная СО.
Рассмотрим подробнее каждый вариант.
1. Гравитационная штанга. Спутник имеет выдвижную конструкцию (штангу, металлическую ленту или иную конструкцию) с центром масс, находящимся как можно дальше от КА. Это создает разность
гравитационных моментов, действующих на спутник и штангу. Разность моментов позволяет демпфировать колебания и стабилизировать аппарат в одном из 4 положений равновесия: 2 устойчивых положения (штанга по нормали к Земли) и 2 неустойчивых (штанга перпендикулярно нормали). Данную систему использовал итальянский спутник ИтСиЪе8а1-00, система представляла собой симметричные ленточные штанги, покрытые солнечными батареями [2]. Данная система практически не используется на СиЪе8АТ по причине трудностей изготовления длинной конструкции, имеющей малые размеры в сложенном виде.
2. Пассивная магнитная система ориентации (ПМСО). В спутнике устанавливается источник постоянного магнитного поля: постоянный магнит и/ или гистерезисные стержни. Система создает демпфирующий момент для рассеяния кинетической энергии вращения спутника после отделения от носителя и приведения его в рабочее положение. Данная система была применена на французском спутнике ОИРТ1-1 и реализована посредством одного постоянного дипольного магнита и перпендикулярных к его оси гистерезисных стержней. Постоянный магнит создавал момент, ориентирующий спутник по главной оси. Нежелательное вращение вокруг данной оси демпфировалось гисте-резисными стержнями [3]. Активная СО расходует ресурсы КА (электричество или рабочее тело). Применяется для стабилизации, демпфирования колебаний, совершения активных разворотов. Наиболее распространенными вариантами в среде СиЪе8а1 является активная магнитная система ориентации и система ориентации использующая маховики.
Решетневскуе чтения. 2014
1. Маховики. С помощью вращения массивного центрованного тела маховика возможно частично или полностью компенсировать момент импульса аппарата либо создать его для ориентации КА. Данная система обладает наибольшей точностью среди других систем, применяемых на спутниках стандарта CubeSat. К проблемам можно отнести большие размеры (76,2x76,2x69,85 [mm3]) и требования к питанию (от 2,4 Вт и более) даже в состоянии покоя. Махович-ная система была реализована на американском спутнике, где использовалась активная магнитная система ориентации для разгрузки маховиков; AeroCube-4, находясь на орбите, производил съемку локальных пожаров и динамики облаков [4].
2. Активная система магнитной ориентации (АМ-СО). По сравнению с ПМСО, в которой направление и величина магнитного момента заранее определены, АМСО позволяет управлять величиной и направлением магнитного момента. С помощью АМСО можно достичь трех- или двухосной ориентации путем установки соответствующего числа ИО. В качестве ИО могут служить катушки Гельмгольца, соленоиды, которые создают магнитный момент при протекании тока через обмотки. Именно катушки Гельмгольца были использованы на спутнике COMPASS (Германия), применение данной системы позволило получить точность ориентации до 8 [5]. Высокой точности, сравнимой с маховиками АМСО и ПМСО, нельзя достичь по причине неоднородности магнитного поля Земли.
Комбинирование СО позволяет увеличить их надежность или повысить количество осей ориентации, например, комбинируя гравитационную СО с ПМСО. Также существует вариант комбинации АМСО и ма-ховичной СО, в которой АМСО используется для разгрузки маховиков.
Краткое сравнение характеристик различных систем представлено ниже (см. таблицу) [6].
Кроме технических характеристик, важным параметром является экономический вопрос. Рассмотрим приблизительную стоимость СО и отметим СО, изготовление которых можно считать бюджетным.
Сложность разработки и изготовления маховика является очень высокой и требует прецизионного оборудования, поэтому данная СО базируется на приобретённых исполнительных органах, стоимость которых находится в интервале от 10 000 USD до 35 000 долл. США [7], что является большим минусом для этого типа ориентации.
Исполнительные органы АМСО могут быть представлены как соленоидами, так и катушками Гельм-
гольца. Для изготовления данной СО достаточно легкодоступных материалов и оборудования: обмоточного провода, пластика, металла. Таким образом, цена сборки варьируется от 100 до 250 USD, также существует вариант покупки готовых ИО по стоимости порядка 500 долл. [5].
Пассивная магнитная система ориентации может быть реализована как в лабораторных условиях за 100-250 долл., так и приобретена в магазине (от 1 000 долл.). Но создание высокоточной ПМСО может стоить значительных средств и трудностей с подбором материалов и изготовления ИО [8].
По результатам данной анализа можно заключить, что наиболее привлекательной СО по соотношению возможности активной ориентации, стоимости и простоте изготовления для Cube SAT является АМСО, которая имеет достаточную точность для решения большинства задач.
Библиографические ссылки
1. Овчинников М. Ю. Системы ориентации спутников: от Лагранжа до Королева // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 12. С. 91-96.
2. eoPortal Directory, UniCubeSat. URL: https://di-rectory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/u/ unicubesat-gg (дата обращения: 03.09.2014).
3. Universite de Liege Nanosatellite Project, Oufti-1. URL: http ://www. leodium.ulg. ac .be/cmsms/index.php? page =satellite (дата обращения: 04.09.2014).
4. AEROSPAСE, CubeSat Developers' Workshop, San Luis Obispo CA 23-25 April, 2014,
5. Istanbul Teknik Universitesi, Magnetic Attitude Control of Small Satellites: A Survey of Applications and A Domestic Example.
6. Svartveit K. Attitude determination of the NCUBE satellite // NTNU. 2003. June.
7. CubeSatShop.com. URL: http://www.cubesatshop. com/index.php?page=shop.product_details&category_id= 7&flypage=flypage.tpl&product_id=55&option=com_ virtuemart&Itemid=69&vmcchk=1&Itemid=69 (дата обращения: 02.09.2014).
8. Пеньков В. И., Овчинников М. Ю., Иванов Д. С. Комплексное исследование свойств гистерезисных стержней из магнитомягкого материала // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2011. No. 31. 40 с. URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2011-31 (дата обращения: 02.09.2014).
References
1. Ovchinnikov M. Yu. Attitude control system of satellites: from Lagranzh to Korolev. Sorosovskiy obra-zovatel'nyy zhurnal, 1999, № 13, p. 91-96 (In Russ).
2. eoPortal Directory, UniCubeSat. URL: https:// di-rectory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/u/ unicubesat-gg (accessed: 03.09.2014).
3. Universite de Liege Nanosatellite Project, Oufti-1. URL : http ://www. leodium.ulg. ac .be/cmsms/index.php? page=satellite (accessed: 04.09.2014).
4. AEROSPAŒ, CubeSat Developers' Workshop, San Luis Obispo CA 23-25 April, 2014,
Сравнение характеристик различных систем
Показатель ПМСО АМСО Маховики Грав. штанга
Потребление ресурсов КА Нет Да Да Нет
Управляемость Нет Да Да Нет
Степени ориентации До 3 До 3 До 3 2
Точность ориентации 1.10° 0,001.1° 1.5°
5. Istanbul Teknik Universitesi, Magnetic Attitude Control of Small Satellites: A Survey of Applications and A Domestic Example.
6. Svartveit K. Attitude determination of the NCUBE satellite // NTNU, June. 2003.
7. CubeSatShop.com. URL: http://www.cubesatshop. com/index.php?page=shop.product_ details&category_ id=7&flypage=flypage.tpl&product_id=55&option=com_ virtuemart&Itemid=69&vmcchk=1&Itemid=69 (accessed: 02.09.2014).
8. Penikov V. I., Ovchinnikov M. Y., Ivanov D. S. Kompleksnoe issledovanie svoistv gisterezisneh stergnei iz magnitomiagkovo materiala // Preprinte IPM im. M. V. Keldesha. 2011, no. 31. 40 р. URL: http:// library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2011-31 (accessed: 2.09.2014).
© Бабич С. А., Костюков А. С., 2014
УДК 004.42
УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ
НА БАЗЕ ОС ANDROID
А. С. Давыдов
Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (Национальный исследовательский университет) Российская Федерация, 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34. E-mail: rfiz@rambler.ru
Предлагается сделать основой концепции «Умный дом» устройство на базе операционной системы Android. Рассматривается разработка приложения для устройства дистанционного управления светом под ОС Android. Прототип приложения отлаживается на базе одноплатного компьютера DevKit8500D.
Ключевые слова: операционная система Android, технология Wi-Fi, концепция «Умный дом», одноплатный компьютер.
REMOTE CONTROL OF LIGHTING DEVICES BASED ON ANDROID OS
A. S. Davydov
Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National research university) 34, Moskovskoe highway, Samara, 443086, Russian Federation. E-mail: rfiz@rambler.ru
The basis of the concept of "smart house" device based on Android operating system is proposed. The application development for the remotely controlled lightning devices under the Android operating system is discussed. The prototype of the application is debugged on a single board computer DevKit8500D.
Keywords: Android operating system, Wi-Fi technology, the concept of "smart House", single board computer.
С развитием современных технологий и операционной системы Android всё большую популярность набирает концепция «Умный дом». Технология Wi-Fi, одна из задач которой - обмен информацией между устройствами с помощью беспроводных технологий на расстоянии, является неотъемлемой частью «Умного дома». С тех пор как на замену традиционным проводным устройствам приходят беспроводные, технология Wi-Fi показывает свое преимущество, объединяясь с Android-устройствами.
В настоящее время широкую популярность приобрел стандарт Wi-Fi Direct (Wi-Di), который обеспечивает передачу данных так же просто, как это происходит в случае Bluetooth. В частности, по новому стандарту любые беспроводные устройства смогут устанавливать прямое соединение без использования специальной точки доступа. Таким образом, каждое устройство с поддержкой Wi-Fi Direct само становится точкой доступа, к которой могут подключаться дру-
гие устройства. Wi-Di работает начиная с Android 4.0 и не требует дополнительных настроек и специальных модулей [1].
Одно из основных требований «Умного дома» -включение, выключение и диммирование (плавное изменение яркости) осветительных приборов. В данном докладе предлагается сделать основой этой структуры устройство на базе Android. Платформа Android идеально подходит для создания приложений с использованием Wi-Fi модулей, она располагает широкими возможностями по доступу и обмену данными между устройствами, поддерживающими этот протокол. Программный доступ к разрешениям (ACCES S_WIFI_STATE и CHANGE_WIFI_STATE), позволяющим обращаться к встроенному модулю Wi-Fi на устройстве, достигается использованием объекта типа WifiManager. Получить экземпляр класса WifiManager можно при помощи метода getSystemService(). Инструментарий Android SDK
